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2025-11-19T00:50:01Z

Kelvinklemme

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Die '''Vierleitermessung''' wird bei der [[Messung]] von [[Elektrischer Widerstand|elektrischen Widerständen]] mit einem '''Vierleiteranschluss''' eingesetzt, wenn Leitungs- und Anschlusswiderstände die Messung verfälschen können. Bei der Vierleiter-Messanordnung fließt über zwei der [[Elektrische Leitung|Leitungen]] ein bekannter [[elektrischer Strom]] durch den Widerstand. Die am Widerstand [[Spannungsabfall|abfallende Spannung]] wird [[hochohmig]] über zwei weitere Leitungen abgegriffen und mit einem [[Spannungsmessgerät]] gemessen; der zu messende Widerstand wird daraus nach dem [[Ohmsches Gesetz|ohmschen Gesetz]] berechnet. Das Prinzip gilt analog bei der [[Strommessung]] mittels eines niederohmigen [[Shunt (Elektrotechnik)|Shunt]]s; hierbei wird die Unbekannte ''Stromstärke'' durch einen bekannten Widerstand mittels der [[Spannungsabfall|abfallenden Spannung]] ermittelt.
[[Datei:Zweileitermessung.png|mini|Zweileitermessung: Gemessen wird nicht die Spannung über dem Widerstand <math>R_{t }</math>, sondern über der Summe der Widerstände bzw. an der Stromquelle.]]
[[Datei:TempMess 4 Leit.svg|mini|Vierleitermessung: Gemessen wird die Spannung über dem Widerstand <math>R_t</math> alleine.]]
Die Vierleitermessung wurde von [[William Thomson, 1. Baron Kelvin]], erfunden und 1861 in Form einer [[Thomson-Brücke]] realisiert. Daher nennt man die zur Vierleitermessung erforderliche Kontaktierungsart auch '''Kelvinkontaktierung'''.

== Grundlagen ==
Wenn bei der Vierleitermessung der Strom durch den Spannungsmesser vernachlässigbar klein ist, was in guter Näherung durch den sehr großen und im Idealfall unendlich hohen Innenwiderstand des Spannungsmessers erfüllt ist
:<math>I_U\ll I\qquad\qquad\qquad</math> (keine merkliche [[Messabweichung]] durch Stromverzweigung),
und wenn ferner der Spannungsverlust in den Messleitungen vernachlässigbar klein ist
:<math>2\ I_U\ R_\mathrm{Ltg} \ll I\ R_t \qquad</math>(keine merkliche Messabweichung durch Spannungsteilung),
ergibt sich der Widerstandswert aus
:<math>R_t =U / I\ .</math>
Eine Speisung aus einer [[Stromquelle]] statt [[Spannungsquelle]] wird empfohlen, weil dann der Strom <math>I</math> unabhängig von <math>R_t</math> und <math>R_\mathrm{Ltg}</math> ist und somit nur einmalig eingestellt oder gemessen werden muss.

Zu den Leitungswiderständen zählen die Widerstände der Zuleitungen und der Schraub- oder [[Steckverbinder]].

== Anwendungsbereich ==
Die Vierleitermessung wird vor allem bei der Messung kleiner Widerstände eingesetzt, wenn die parasitären Widerstände von Zuleitungen und [[Elektrischer Kontakt|Kontaktstellen]] nicht mehr vernachlässigbar klein gegenüber dem zu messenden Widerstand sind. Beispiele, in denen die Vierleitermessung erforderlich wird, sind:

*Bei [[Messwiderstand#Niederohmiger Messwiderstand|Strommesswiderständen]] kann der Kontaktwiderstand größer sein als der Nennwert des Widerstands; darüber hinaus ist der Kontaktwiderstand mitunter schwierig zu ermitteln oder kaum abzuschätzenden Schwankungen unterworfen. Eine rechnerische Korrektur ist unter diesen Umständen nicht möglich.

*Bei [[Widerstandsthermometer]]n in industriellen Temperaturmesseinrichtungen mit Kupferleitungen im Freien ist der Temperatureinfluss auf <math>R_\mathrm{Ltg}</math> erheblich; dieser ist von Änderungen im [[Messobjekt]] <math>R_t</math> nicht unterscheidbar, wenn mit zwei Leitern gemessen wird.

Messabweichungen, die trotz Vierleitermessung auftreten können, werden in erster Linie durch [[Thermoelektrizität|Thermospannungen]] infolge von Temperaturdifferenzen zwischen den Anschlüssen verursacht. Diese lassen sich jedoch durch angeglichene Kontaktstellen-Temperaturen oder durch Materialpaarungen mit geringen Thermospannungen vermeiden.

== Kelvinklemme ==
Als '''Kelvinklemme''' wird eine Zusatzklemme bezeichnet, die nur der Abzweigung oder Zufuhr eines relativ kleinen Messstroms dient.<ref> Erwin Böhmer, Dietmar Ehrhardt, Wolfgang Oberschelp: ''Elemente der angewandten Elektronik: Kompendium für Ausbildung und Beruf.'' Vieweg, 16. Aufl. 2010, S. 297</ref> Sie dient als Kontaktierhilfe, um ein elektrisches Bauelement zu einer Vierleitermessung anzuschließen. Dieser Begriff ist in der Messtechnik nur noch wenig in Gebrauch; eher wird von ''Spannungsklemme'' (im Gegensatz zur ''Stromklemme'') gesprochen.<ref>Hans-Rolf Tränkler: ''Taschenbuch der Meßtechnik: Mit Schwerpunkt Sensortechnik''. Oldenbourg, 4. Aufl. 1996, S. 44</ref><ref>Kurt Bergmann: ''Elektrische Meßtechnik: Elektrische und Elektronische Verfahren, Anlagen und Systeme''. Vieweg, 5. Aufl. 1993, S. 54</ref><ref> Rupert Patzelt, Herbert Schweinzer (Hrsg.): ''Elektrische Meßtechnik''. Springer, 2. Aufl. 1996, S. 357</ref>

Zum Einsatz kommt eine solche Mimik nicht nur bei der Messung kleiner Widerstände, sondern auch bei anderen Anwendungen, wo sich ein parasitärer Spannungsabfall störend bemerkbar machen kann. Beispielsweise haben manche Ausführungen von [[Leistungs-MOSFET]]s zwei Source-Anschlüsse<ref>[https://www.ixys-electronics.com/pdf-d9/ixfn38n100q2.pdf Datenblatt IXFN38N100Q2] der Fa. [[Ixys]]. Dort werden die beiden Anschlüsse als ''Main'' sowie ''Kelvin Source'' bezeichnet.</ref>, um den Einfluss des Spannungsabfalls an der Zuführung zur Source auf die Gate-Source-Spannung zu minimieren. (Die Kelvinklemme dient hierbei nicht der Messung, sondern der Ansteuerung.)

{{Anker|Kelvin-Messleitung}}Daneben wird Mess-Zubehör zur Vierleitermessung als Kelvinklemme oder (je nach Ausstattung) Kelvin-Messleitung für elektrische [[Multimeter]], [[Oszilloskop]]e oder [[Induktivität]]smessgeräte im Handel angeboten. Labor-Kelvinklemmen sind ähnlich wie [[Krokodilklemme]]n aufgebaut, wobei jedoch die beiden Schenkel voneinander isoliert sind und eigene Anschlüsse haben. Mit einem Paar solcher Klemmen erreicht man die vierpolige Kontaktierung.

== Dreileitermessung ==
[[Datei:Dreleitermessung.png|mini|Dreileitermessung mit zwei Messgeräten: Der Spannungsabfall an der stromführenden Leitung lässt sich herausrechnen]]
[[Datei:TempMess 3 Leit OpV.svg|mini|Dreileitermessung mit Differenzbildung]]
[[Datei:TempMess 3 Leit Br.svg|mini|Dreileitermessung mit Messbrücke]]
Bei industriellen Temperatur-Messanlagen können der Messwiderstand und die weitere Messschaltung weit entfernt liegen. Dann kommt man zu Einsparungen von Verkabelungskosten mit dem '''Dreileiteranschluss'''. Die stromführenden Leitungen müssen hierbei gleiche Widerstände besitzen (gemeinsames Kabel); die Kontaktwiderstände müssen vernachlässigbar klein sein.

Für die Dreileitermessung gilt
:<math>I\cdot R_t = U_2 - (U_1 - U_2)\ .</math>
Die Differenzbildung zweier ähnlich großer Spannungen aus Messwerten mit zwei unabhängigen Messgeräten ist immer unsicher. Die Differenz lässt sich aber unmittelbar mit einer einfachen Messschaltung erfassen. Mit den bei nicht übersteuerten und nicht überlasteten [[Operationsverstärker]]n üblichen Näherungen,
* keine merkliche Spannung zwischen den Eingängen und
* keine merklichen Ströme in die Eingänge (aber bei unbehindertem Eingangsruhestrom),
stellt sich ein
:<math>I\cdot (R_\mathrm{Ltg1}+R_t+R_\mathrm{Ltg3}) = 2\cdot U_5 + U_\mathrm a\;.</math>
Mit stromlos betriebener Leitung 2, mit <math>I\cdot R_\mathrm{Ltg1}=U_5</math> sowie mit gleichen Leitungswiderständen vereinfacht sich das zu
:<math>I\cdot R_t=U_\mathrm a\;;</math>
<math>R_\mathrm{Ltg}</math> ist in <math>U_\mathrm a</math> nicht mehr enthalten.

Auch die geringfügig verstimmte [[Wheatstonesche Messbrücke#Ausschlagverfahren|Wheatstone-Brücke]] arbeitet differenzbildend. Wenn die beiden Widerstände rechts im Schaltplan gleich groß sind, entsteht eine Brückenquerspannung <math>U_q</math>
:<math>U_\mathrm q \sim (R_t+R_\mathrm{Ltg3})-(R_1+R_\mathrm{Ltg2}) =R_t-R_1 =\Delta R_t\ .</math>
Diese Spannung ist unabhängig von <math>R_\mathrm{Ltg}</math> ein Maß für eine Widerstandsabweichung von einem festen Bezugswert. Da die Spannung nicht proportional zu <math>R_t</math>, sondern zu <math>\Delta R_t</math> ist, lassen sich Änderungen besonders deutlich erkennen.

== Abgrenzung gegenüber der Vier-Spitzen-Messung==
Bei der [[Vier-Punkt-Methode|Vier-Spitzen-Messung]] (auch Vierpunktmessung) wird der spezifische Widerstand einer Schicht bestimmt. Sie nutzt ebenfalls getrennte Leitungen für den Messstrom und den Spannungsabfall, jedoch sind die Kontaktspitzen örtlich durch gleiche Abstände voneinander getrennt.

== Literatur ==
* Norbert Weichert, Michael Wülker: ''Messtechnik und Messdatenerfassung.'' 2. Auflage, Oldenbourg Verlag, München 2010, ISBN 978-3-486-59773-8.
* Christian Orgel, Rainer Rottmann: ''Handbuch Prüfung elektrischer Geräte und Anlagen.'' Verlag Herkert, Merching 2014, ISBN 978-3-86586-633-2.

== Weblinks ==
* [https://www.mdt.tu-berlin.de/fileadmin/fg184/Lehre/Messtechnik/Praktikum/LaborskriptMDT.pdf Grundlagen der elektrischen Messtechnik] (abgerufen am 8. Oktober 2015)
* [http://www.thermoguard.de/download/TG-Vierleiter.pdf Zwei- und Vierleitertechnik] (abgerufen am 8. Oktober 2015)

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Elektrische Messtechnik]]
[[Kategorie:William Thomson, 1. Baron Kelvin als Namensgeber]]

Vierleitermessung - Versionsgeschichte

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